3. lecke. A sebességváltó mechatronikája

iDevice ikon A lecke célja
Az automatikusan működtetett sebességválók mechatronikája alapjainak a megismerése.

iDevice ikon Követelmények
A hallgató legyen képes
  • szabadkézzel lerajzolni az automata sebességváltó blokkdiagramját,
  • felsorolásból kiválasztani a TCU bemeneti jeleit,
  • felsorolásból kiválasztani, mit értünk adaptív fokozatkapcsolás alatt,
  • felsorolásból kiválasztani, hogyan szabályozza a TCU a fokozatkapcsolást,
  • felsorolásból kiválasztani az automata váltó jellemző aktuátorait.

iDevice ikon Időszükséglet
A tananyag elsajátításához körülbelül 80 percre lesz szüksége.

iDevice ikon Kulcsfogalmak
  • adaptív fokozatkapcsolás,
  • TCU,
  • lock up kapcsoló,
  • kick down kapcsoló.

iDevice ikon 3.1 A hajtómű mechatronikája
A járművekben alkalmazott sebességváltók jelentős része nem mechatronikai berendezés. A kézi kapcsolású váltók olyan gépészeti egységek, melyek vezérlését a gépkocsivezető végzi. Az automata sebességváltók mechatronikai rendszerként a szabályzási folyamatokat átveszik a gépkocsivezetőtől.  A hajtómű további részei, a tengelykapcsoló, kardántengely, differenciálmű és féltengelyhajtás sem mechatronikai rendszer az általánosan használt gépkocsikban. A járművek fejlesztése során azonban ezek az egységek is mechatronikai rendszerré alakultak (automatikusan működtetett tengelykapcsoló, vezérelt, szabályozott differenciálművek).

Az automata váltó kapcsolata a motorral meghatározó, vezérlő berendezése magas szinten együttműködik a motor ECU-val. Lehet fokozatkapcsolású (az áttételek adott konstans értékben=fokozatban valósulnak meg pl. kézi kapcsolású sebességváltó) illetve folyamatosan változtatható áttételű hajtómű.

Tevékenység:

jegyezze meg, mi az automata sebességváltó két fő bemenő paramétere!


A sebességváltó, mint mechatronikai egység nagyon hasonlít a motorhoz, de kevesebb funkcióval és részegységgel rendelkező egyszerűbb rendszer. Alapjában a jármű sebesség és a gázpedál-állás (motorterhelés), mint két fő paraméter függvényében kapcsolja a fokozatokat a központi vezérlő egység. A sebesség növekedésével fel, a motor terhelés függvényében lefelé kapcsolja a fokozatokat. A mai sebességváltóknál a fokozatszám akár 8 is lehet, és ehhez járul a rövidrezáró tengelykapcsoló (lock up) működtetés.

Tevékenység:

fogalmazza meg, mit értünk adaptív fokozatkapcsolás alatt!


Az autóval szemben támasztott felhasználói követelmények fokozatosan finomítottak a kétparaméteres fokozatkapcsolás gyakorlatán, és mára kialakult az adaptív fokozatkapcsolás vezérlés, amely rendkívül sok paraméterhez való alkalmazkodást jelent, akár a vezető mentalitásának néhány másodpercen belüli felismerésén alapuló kapcsolásvezérlést.

Az adaptív fokozatkapcsoló rendszer a gázpedál működtetés valamint a járműdinamikai mennyiségek alapján ítéletet alkot a gépkocsivezető igényeiről (nyugodt, temperamentumos, sportos, sietős, nézelődő stb). Az ítélet, a járműre ható erők, az aktuális tapadási viszonyok, a motor és sebességváltó hőmérséklete alapján a vezérlő berendezés kiválasztja a megfelelő menetprogramot: milyen jellegű legyen a kapcsolás folyamata (dinamikus, takarékos, csendes üzemre törekvő, nagy nyomatékú). A vezérlés az előválasztó kar állása, a jármű menetállapota, és a menetprogram alapján dönt a kapcsolandó fokozatról.

Az adaptív sebességi fokozat választáshoz a sebességváltó elektronikus egysége TCU (Transmission Control Unit=sebességváltó vezérlő elektronika)) a kapcsolódó BUS rendszeren kommunikál az összes jármű fődarab és jármű rendszer mechatronikai egységgel.

iDevice ikon 3.2 Fokozatkapcsolású hidromechanikus sebességváltó

A fokozatkapcsolású hidromechanikus sebességváltó leggyakoribb automataváltó.

 

2.1 Gépészeti rendszer

Az 1. ábrán a gépészeti rendszer: karimás tengely, hidrodinamikus nyomatékváltó, rövidrezáró (lock up) tengelykapcsolóval, két bolygómű egység (primer és szekunder), ATF (automatic transmission fluid=szabványos automata sebességváltó olaj) hőcserélő, ATF fogaskerék-szivattyú, ATF szűrő, ATF olajteknő, Mechatronikus egység=kombinált hidraulikus és elektromos vezérlő tömb. D-D után az összkerék hajtás részei láthatók.

Tevékenység:

az alábbi ábrán kövesse színek szerint a folyamatokat illetve egységeket és jegyezze meg azokat. .


1. ábra Automata sebességváltó blokksémája

zöld = forgatónyomaték
kékesszürke = hajtáslánc (gépészet)
kék = hidraulika (gépészet)
szürke = elektronikus egységek
piros = aktuátorok (villamosság)
sárga = kommunikáció
fekete (vonal) = elektronikus jel


A motor nyomaték a hidrodinamikus nyomatékváltón (konverter) illetve a rövidrezáró tengelykapcsolón (lock up) keresztül kerül a bolygóműre, majd innen a kihajtó tengelyre és végül a kerekekre jut. A lock up tk-t és bolygómű áttételi fokozatait a hidraulika elektromágneses szelepek segítségével (villamos vezérlés) kapcsolja. A hidraulika tápnyomást a motor által hajtott hidraulika szivattyú állítja elő.
A villamos elemeket az elektronikus egység jelei vezérlik a beérkező elektronikus jelek alapján. A vezérléshez szükséges jeleket a jeladók (kihajtó tengely fordulatszám jeladó: sebesség jel, gázpedál állás: E-gáz vagy gázpedál adó, fékpedál kapcsoló, előválasztó kapcsolók: PRND…). Elektronikus illetve villamos hiba esetén az ECU=TCU vészüzemmódba kapcsol és ekkor a gépkocsvezető az előválasztó karral közvetlenül is tudja a hidraulikus rendszert vezérelni, a fokozatokat kapcsolni.

A gépészet egy hidromechanikus rendszer, amelyben az autó indításának automatizálását egy hidrodinamikus nyomatékváltó végzi, a fokozatkapcsolás pedig bolygóművek tengelyeinek hidraulikusan működtetett lamellás tengelykapcsolókkal való fékezésével és összekapcsolásával valósul meg.

Azt, hogy melyik fokozat legyen bekapcsolva, és a lock up zárva vagy nyitva legyen a TCU dönti el a bemenő jellemzők és a benne tárolt és futtatott programok alapján. (A TCU nem a váltóban van, hanem a gépkocsiban.)


2.2 Bemenő jellemzők

Tevékenység:
  • Jegyezze meg a sebességváltó vezérlésének bemeneti jellemzőit!
  • Tanulja meg, honnan származnak ezek a jelek!
Egy tipikus TCU közvetlen kapcsolatban áll a motor ECU-val, felhasználva minden motorjellemzőt. Ezen kívül információkat kap a kommunikációs (BUS) rendszeren keresztül a jármű többi elektronikus vezérlő egységével. Néhány bemeneti jellemzőt a váltó maga állít elő.
  • Jármű sebesség jel: a sebességváltó kihajtó tengelyén lévő induktív jeladó által szolgáltatott impulzusok.
  • Gázpedál-állás jel: a gázpedáltól közvetlenül vagy a motor ECU-tól származó analóg feszültség jel(ek).
  • Az előválasztó kar állása: többállású mikrokapcsoló, amelyet a gépkocsivezető működtet, meghatározva a jármű kívánt üzemmódját (PRND selector)
  • Turbina fordulatszám jel: a váltóban lévő hidrodinamikus nyomatékváltó turbinájának a fordulatszámát jellemző impulzus időfüggvény (induktív jeladó).
  • Kerék fordulatszám jel: az ABS jelek alapján képződött digitális jel. A sebesség jellel együtt egymást kiegészítve, ellenőrizve használhatók fel.
  • Sebességváltó olaj hőmérséklet jel: a sebességváltó üzemi állapotát kifejező analóg jel, ami a sebességváltó olajteknőben lévő jeladótól származik.
  • Motor hőmérséklet jel: az ECU szolgáltatja a TCU-nak
  • Kick down (túl gáz) kapcsoló jele: a gázpedál teljes gáz helyzetnél tovább működtetése esetén egy kapcsoló egyenfeszültséget küld a TCU-nak. A kick down kapcsoló a gázpedálnál helyezkedik el. A kapcsolóban -a biztonság érdekében- két párhuzamos gázpedál jeladó található

2. ábra Kick-down kapcsoló

  • Féklámpa kapcsoló jele: a fék használatáról információként egyenfeszültséget küld a TCU-nak
  • Egyéb jeladók: a BUS rendszeren keresztül jeleket kaphat a kormánytól, a Tempomat/Cruise control-tól, a jármű stabilizáló rendszerektől (ESP stb.), az összkerékhajtás rendszertől, a passziv biztonság vezérlő rendszertől. Figyelembe veheti még a külső hőmérsékletet, a motor üzemállapotát (hideg/meleg/túlhevült), az atmoszférikus légnyomást, a jármű terhelését, kapcsolóval beállított kívánt üzemmódot.
A felsoroltak közül a járműsebesség és a gázpedál-állás a két legfontosabb bemenő adat.


2.3 Jeladók
  • turbina és kihajtó tengely fordulatszám (induktív) jeladók
  • Jeladó a sebességváltó kimenő fordulatszámhoz (sebesség jel).
  • Az előválasztó kar mikrokapcsolók: az előválasztás karral vagy nyomógombokkal történhet (Tiptronic), a jeladók minden esetben Hall szenzorok. Jelzik, hogy a vezető milyen állásba (PRND54321) tette az előválasztó kart.

3. ábra. Az előválasztó kar és mikrokapcsolói (Hall jeladók).

Az ábrán két nyomtatott áramkör látszik az egyik az előválasztó karral a másik a nyomógombbal vezérelt sebességváltókhoz (Tiptronic=az előválasztás nyomógombokkal történik, amelyek több járműnél a kormánykerékben vannak) F189 kapcsoló alaplap a Tiptronic váltókhoz.
  • Váltó hőmérséklet jeladó: az olajteknőbe merített ellenállás hőmérő

4. Ábra A váltóban lévő hőfok jeladó: az ATF hőmérsékletet méri


2.4 A TCU kimeneti jelei

Tevékenység:

jegyezze meg a vezérlés kimeneti jellemzőit és azt, hogy ezek a jelek milyen célt szolgálnak!

Egy tipikus modern TCU analóg, digitális és kapcsoló jeleket ad a mágnesszelepek működtetéséhez, a nyomásszabályzó szelepnek, a hidrodinamikus nyomatékváltó rövidrezáró tengelykapcsoló (lock up) szelep elektromágnesének és más szabályzó egységek számára.

Előválasztó kar reteszelés: a TCU néhány esetben zárja az előválasztó kar mozgatási lehetőségét egy elektromágneses zár segítségével.

Fokozatkapcsolás: a meghatározott sebességi fokozat kapcsolószelepeinek a működtetéséhez analóg feszültséget vezérel ki a TCU, amely elektro-hidraulikus szelepeket nyit és zár, a váltóban fokozatkapcsolás következik be: le vagy felkapcsol.

Hidraulikus vezérlőnyomás-szabályzás: a TCU a váltó üzemi követelményeinek megfelelő nyomásszinte(ke)t hoz létre a hidraulikai kapcsoló csatornákban egy PVM (impulzus kitöltési tényező) vezérlésű elektromágneses szelep segítségével.

Lock up vezérlő mágnes szelep: amennyiben nincs szükség a hidrodinamikus nyomatékváltó aszinkron (csúsztató) üzemére illetve nyomatékmódosítására, akkor a TCU analóg jelet küld a Lock up elektromágnesre, és ezzel összezárja a turbinát és szivattyút, a hajtómű veszteségei csökkennek.

Információ a többi vezérlő egységnek: a TCU a csatlakoztatott BUS rendszeren keresztül üzeneteket küld más vezérlő egységek: ECU, jármű stabilizáló rendszer (ESP stb), összkerékhajtás rendszer, Tempomat szabályzó, műszerfal.

Az ECU-hoz hasonlóan kapcsolódik az OBD-hez.


2.5 Aktuátorok

Tevékenység:

jegyezze meg, hogy melyek a végrehajtó elemek (aktuátorok) a váltóban.

Az automata sebességváltó végrehajtó elemei:
  • fokozatkapcsoló elektromágneses szelepek,
  • nyomásszabályzó szelep,
  • tengelykapcsolók munkahengerei (vezérlő tömb+hidraulikus munkahengerek),
amelyek egy bonyolult hidraulikus áramkörön és szeleprendszeren keresztül (Hydraulik-Modul) a bolygómű tengelykapcsolók (fékek) működtetésével kapcsolják a sebességfokozatokat.


5. ábra. A szeleptest. A két rendszer: hidraulikus vezérlés és elektromágneses szelepek együttese.

Kapcsolódó rendszerek:
  • motor menedzsment,
  • kormányberendezés,
  • fékrendszer,
  • aktív futómű,
  • szabályozott differenciálmű,
  • teljes járműrendszerek.

iDevice ikon Önellenőrző kérdések
1. Rajzoljon szabadkézzel egyszerű ábrát az automata sebességváltó mechatronikai rendszeréről az alábbi egységek felhasználásával: gépészet, előválasztó kar, szeleptest, ECU, TCU, gázpedál, lock up kapcsoló (1. ábra blokkdiagramja)

2. Jelölje meg az alábbiak közül azokat a TCU bemeneti jeleket, amelyeket az automata sebességváltó kapcsolásánál figyelembe vesz a berendezés!
Jármű sebesség.
Motor fordulatszám.
Gázpedál-állás.
Szívócső depresszió,
Előválasztó kar állása.
Motor hőmérséklet.
Sebességváltó hőmérséklet.
Féklámpa kapcsoló állapota.
Kerék fordulatszáma.
Lock up-jel.
Kick down kapcsoló állapota.



3. Jelölje meg, mit értünk adaptív fokozatkapcsolás alatt!
Az adaptív fokozatkapcsolásai rendszer a járműre ható erők, az aktuális tapadási viszonyok, a motor és sebességváltó hőmérséklete alapján dönti el, hogy melyik fokozatot kell kapcsolnia az adott körülmények között.
Az adaptív sebességi fokozat választáshoz a sebességváltó elektronikus egysége TCU a kapcsolódó BUS rendszeren kommunikál az összes jármű fődarab és jármű rendszer mechatronikai egységgel.
A gázpedál működtetése, valamint a járműdinamikai mennyiségek alapján az adaptív fokozatkapcsolásai rendszer ítéletet alkot a járművezető igényeiről, és ennek megfelelően kapcsolja a fokozatokat.
A járművezető az előválasztó kar megfelelő állásba helyezésével és a gázpedál finom, vagy sportos kezelésével dönt arról, hogy az adott pillanatban melyik fokozat legyen bekapcsolva.



4. Jelölje meg, hogyan szabályozza a TCU a fokozatkapcsolást!
Digitális vezérlőjelet küld az elektro-hidraulikus szelepek nyitásához-zárásához, amelyek elvégzik a kapcsolást.
Analóg feszültséget vezérel a bolygómű fogaskerekeihez, amelyek elvégzik a kapcsolást.
Digitális vezérlőjelet küld a bolygómű fogaskerekeihez, amelyek elvégzik a kapcsolást.
Analóg feszültséget vezérel az elektro-hidraulikus szelepek nyitásához-zárásához, amelyek elvégzik a kapcsolást.



5. Jelölje meg, melyek az automata váltó jellemző aktuátorai!
Fokozatkapcsoló elektromágneses szelepek.
Nyomásszabályzó szelep.
TCU.
Tengelykapcsolók munkahengerei.
Bolygómű-tengelykapcsolók.